外侧下丘脑新奇探索激活神经元群介导镇痛与抗焦虑效应

《Nature Communications》：Novelty exploration-activated ensemble in the lateral hypothalamus confers analgesic and anxiolytic effects

　　

虽然注意力分散可缓解痛觉及负性情绪，但其潜在神经环路机制尚不清楚。研究人员发现，作为一种吸引注意力的手段，新奇环境暴露可显著减轻小鼠的急性和慢性疼痛。利用Fos驱动病毒策略，研究人员鉴定出一个在新奇探索过程中被激活的外侧下丘脑(lateral hypothalamus, LH)神经元集合。该新奇集合亦对痛觉及焦虑样刺激产生反应。激活该集合可产生镇痛与抗焦虑效应，而在小鼠疼痛模型中抑制该集合则会加剧疼痛及焦虑样行为。该LH集合包含GABA能及谷氨酸能两个亚群，两者均参与疼痛与情绪的调控。然而，激活其特异性投射至外侧视前区(lateral preoptic area, LPO)、外侧缰核(lateral habenula, LHb)、腹侧被盖区(ventral tegmental area, VTA)及外侧导水管周围灰质(lateral periaqueductal gray, LPAG)的纤维，对疼痛与焦虑的调节作用呈现不同模式。综上，研究人员定义了一群介导新奇暴露所带来镇痛与抗焦虑获益的LH新奇激活神经元亚群，揭示了缓解疼痛和焦虑的环路特异性靶点。

该研究由徐州医科大学团队完成，发表于《Nature Communications》。针对注意力分散缓解痛觉与负性情绪的临床现象，其背后的神经机制长期未明，尤其是非药物干预如何调控痛觉与情绪的共通神经基础亟待解析。既往研究表明外侧下丘脑(lateral hypothalamus, LH)是整合认知、情绪与感觉信息的关键枢纽，但其在注意力分散诱导的镇痛与抗焦虑中的作用尚未见报道。研究人员假设LH中存在一类特异性神经元群，可通过注意力分散机制缓解慢性疼痛及其伴随的负性情绪。研究证实，新奇探索（一种典型的注意力分散范式）可显著减轻急性和慢性疼痛模型小鼠的痛觉过敏及焦虑样行为。通过Fos靶向重组(Fos-TRAP)技术，研究人员标记并操控了LH中在新奇探索时被激活的神经元集合（新奇集合）。结果显示，该集合同时响应痛觉与焦虑刺激，双向光遗传学调控证实其是镇痛与抗焦虑效应的关键中枢。进一步研究发现，该集合包含GABA能(LH^GABA)和谷氨酸能(LH^Glu)两类亚群，两者均参与调控，但通过投射至下游不同的核团（外侧视前区LPO、外侧缰核LHb、腹侧被盖区VTA、外侧导水管周围灰质LPAG）发挥差异化的功能，共同构成了新奇探索缓解病痛的神经环路基础。这一发现揭示了独立于阿片系统的镇痛抗焦虑新机制，为慢性疼痛的靶向神经调控治疗提供了理论依据。

关键技术方法：研究主要采用8至12周龄C57BL/6J野生型及Vgat-Cre、Vglut2-Cre转基因小鼠。核心技术包括：Fos驱动的活动依赖性神经元标记（Fos-TRAP及rtTA系统），用于特异性标记新奇探索激活的LH神经元集合；在体光纤光度法(fiber photometry)，记录自由活动小鼠特定神经元群的钙信号动态变化；光遗传学(optogenetics)，通过激活或抑制特定神经元胞体及轴突末梢，结合行为学检测（如条件位置偏好CPP、旷场实验OFT、高架十字迷宫EPM、福尔马林试验、von Frey机械痛阈及Hargreaves热痛阈测试）解析其功能；逆行跨单突触狂犬病毒示踪，解析输入神经连接；以及脑片膜片钳电生理验证突触传递特性。

研究结果：

1. 1.
   新奇物体与环境探索缓解疼痛
   研究人员发现，无论是新奇物体还是新奇环境探索，均能显著降低福尔马林炎症模型及完全弗氏佐剂(CFA)炎症模型小鼠的痛觉行为，提高热痛阈值。该镇痛效应不被阿片受体拮抗剂纳洛酮逆转，表明其为非阿片依赖机制。此外，社交新奇（同种小鼠）暴露也能阻断重复机械刺激诱导的条件位置厌恶(CPA)，证实了新奇探索的普适性镇痛作用。
2. 2.
   LH被新奇探索与神经病理性疼痛激活
   c-Fos免疫染色显示，新奇探索显著激活了包括初级运动皮层、前扣带回皮层及LH在内的多个脑区，其中LH激活最为显著且广泛。同时，多种疼痛刺激（机械刺激、福尔马林注射、坐骨神经分支选择性损伤SNI）同样能上调LH的c-Fos表达，提示LH可能整合新奇与疼痛信号。
3. 3.
   LH新奇集合被痛觉刺激激活
   利用Fos-TRAP技术特异性标记新奇探索激活的LH神经元（新奇集合）。研究人员发现，约60%的该集合神经元在再次接触新奇物体时被重新激活。更重要的是，约45%的该集合神经元同样被急性痛觉刺激（机械与热刺激）激活，反之亦然，证实了新奇与疼痛信号在LH神经元水平存在显著的重叠。
4. 4.
   LH新奇集合优先编码伤害性感受
   利用Fos-ON（标记新奇激活神经元）与Fos-OFF（标记未被激活神经元）策略结合光纤光度法，研究人员发现新奇集合神经元对新奇物体接近、福尔马林注射及SNI模型中的机械/热刺激均表现出强烈的钙信号升高，而非新奇集合神经元则无明显反应。该集合还对奖赏、厌恶及焦虑等多种显著性刺激产生反应，表明其作为显著性信息处理枢纽的功能。
5. 5.
   LH新奇集合调控疼痛与焦虑
   双向光遗传学调控显示，激活LH新奇集合可显著减少福尔马林诱导的舔足行为，提高CFA及SNI模型的痛阈，并在SNI小鼠中产生条件位置偏好(CPP)及抗焦虑样效应（增加旷场中心停留时间及高架十字迷宫开臂探索）。反之，抑制该集合则加剧疼痛与焦虑样行为。操控非新奇集合神经元则无此效应，确立了该集合的功能特异性。
6. 6.
   新奇与疼痛激活LH GABA和谷氨酸能神经元
   细胞类型鉴定显示，LH新奇集合包含约48.79%的GABA能神经元和25.15%的CaMKII阳性的谷氨酸能神经元，同时也包含黑色素浓集激素(MCH)及食欲素(orexin)能神经元。在体钙成像显示，这两类亚群均能被新奇探索和痛觉刺激强烈激活。
7. 7.
   LH^GABA和LH^Glu新奇集合调控疼痛与焦虑
   分别特异性操控这两类亚群，研究人员发现激活LH^GABA或LH^Glu新奇集合均能产生与操控整体新奇集合相似的镇痛与抗焦虑效应，抑制则产生相反效果，表明两者在功能上具有等效性。
8. 8.
   不同的LH新奇投射以不同模式调控疼痛与焦虑
   尽管胞体激活效应相似，但其下游投射功能各异。激活LH^GABA新奇集合至LHb的投射产生镇痛效应；激活LH^Glu新奇集合至LPO、LPAG及VTA的投射分别介导了镇痛及抗焦虑效应。激活LH^Glu至LHb的投射反而引起痛觉过敏。这表明整体效应是由不同投射通路整合产生的。

讨论与结论：

研究人员在讨论中指出，本研究首次明确了LH中的一个神经元集合是连接新奇探索与疼痛、情绪缓解的关键节点。该集合通过整合GABA能和谷氨酸能通路，并经由LPO、LHb、VTA、LPAG等下游核团的差异化投射，实现了对疼痛与焦虑的协同调控。这一机制独立于经典的阿片系统，解释了非药物干预（如虚拟现实分散注意力）的生物学基础。研究的局限性在于未完全解析下游核团内部的细胞异质性及多突触互作。总之，该研究不仅阐明了注意力分散镇痛的神经环路机制，也为开发针对慢性疼痛及相关情绪障碍的非药物神经调控疗法提供了新的特异性靶点。